Yüzey gerilimi nedir? Tanım ve örnekler

Yüzey gerilimi bir sıvının yüzey katmanının esnek bir zar gibi davranmasına yol açan etkinin adıdır. Tüm sıvıların yüzeyleri sanki gerilmiş bir zarla kaplıymış gibi davranır. Bu olayda sıvı yüzeyi olası en küçük alanı kaplayacak şekilde büzülür. Yüzey geriliminin matematiksel modeli birim uzunluğa düşen kuvvettir.

γ = F/L

Birimi N/m’dir, ama kuvvet küçük olduğu için dyne/cm cinsinden de belirtilir. Bu 1 cm uzunluğunda bir zarı kırmak için kaç dyne kuvvet uygulamak gerektiği demektir.

Yüzey geriliminin nedeni nedir?

Yüzey geriliminin nedeni sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetidir. Sıvının iç kısımlarındaki moleküllerin etrafı diğer sıvı molekülleri tarafından sarılmıştır. Bir molekül her yanından eşit miktarda kohezyon kuvveti etkisi altında kalır. Ama sıvı ile hava sınırındaki moleküllerin üst taraflarında sıvı molekülü yoktur, sadece aşağı ve yanlara doğru çekilirler. Bu yüzden sınırdaki sıvı molekülleri ile yanlarındaki moleküllerin kohezyonu kuvveti daha güçlüdür.

Yukarıdaki resim su moleküllerinin iki boyutlu bir kesit modelini gösteriyor. Bir akvaryuma karşıdan bakıyor gibiyiz. Suyun iç kısmındaki A molekülü çevresini saran sekiz molekülden oluşan bir karenin merkezinde. Etrafındaki moleküllerin hepsi A molekülünü çekiyor. Suyun yüzeyindeki B molekülünün altında yalnızca üç, iki yanında da birer tane molekül var; üstünde hiç yok. B molekülünü yanlarındaki moleküller daha güçlü çekiyor.

Bir önceki resimde iki boyutlu kesite bakmıştık, bu resimde üç boyutlu bir modele üstten bakıyoruz. Üstten bakıldığında suyun yüzeyindeki B molekülünün yanlarındaki yine sıvı yüzeyinde bulunan moleküller tarafından çekildiğini görüyoruz. Yüzey gerilimi sıvının yüzeyinde olduğu için, bir molekül hem sağa ve sola hem de öne ve arkaya doğru çekilir.

Sıvı yüzeyindeki kohezyon kuvvetleri sıvının içindekilere göre daha güçlü olduğundan dolayı bir cismi sıvının yüzeyinde hareket ettirmek cisim sıvıya tamamen batmışken hareket ettirmekten daha zordur.

Yüzey gerilimi nelere bağlıdır?

• Sıvının türü: Suyun, etil alkolün ve cıvanın yüzey gerilimleri farklıdır, çünkü moleküllerinin yapısı farklıdır. 20 °C sıcaklıkta suyun yüzey gerilimi 0,073 N/m, etil alkolünki 0,022 N/m ve cıvanınki 0,472 N/m’dir.
• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi azalır. Çünkü moleküllerin titreşim hareketleri artar bu nedenle aralarındaki kohezyon bağları zayıflar.
• Sabun ve deterjan eklemek: Bu maddelerin molekülleri sıvının moleküllerinin arasına girip kohezyon bağlarını bozar.
• Yüzey geriliminin özkütle ile ilişkisi karmaşıktır, doğrudan bir ilişki kurmamak gerekir.

Yüzey gerilimi örnekleri

Suyun üstünde yüzen toplu iğne

Toplu iğne çelikten yapılmıştır ve özkütlesi suyun özkütlesinin neredeyse sekiz katıdır. Aslında toplu iğnenin suda yüzmemesi batması gerekir, çünkü ağırlığı suyun kaldırma kuvvetinden büyüktür. Ama yukarıdaki resimde göreceğiniz gibi toplu iğneyi dikkatlice suyun yüzeyine yerleştirirseniz, yüzdüğünü göreceksiniz. Toplu iğnenin batmamasının nedeni suyun yüzey gerilimini kıramamasıdır. Eğer suya birazcık sıvı sabun eklerseniz iğne aniden batar. Eğer suya dokunup titreştirirseniz iğne yine batar. Aynı deneyi ataşlarla da yapabilirsiniz.

Suyun yüzeyinde yürüyen böcekler

Yukarıdaki resimdeki sivri sinekler suyun üstünde yürüyorlar. Çünkü ağırlıkları suyun yüzey gerilimini aşmaya yetmiyor. Ayrıca ayaklarının yüzey alanın geniş olması ağırlıklarını yayarak suyun yüzeyine uyguladıkları basıncı düşürüyor.

Bardaktan taşmayan su

Yukarıdaki resimde bir bardağın içine gıda boyasıyla renklendirilmiş su doldurulmuş. Bardak ağzına kadar dolu, hatta ağzını aşmış, ama su taşmamış. Bardağın cam kenarlarından yukarı doğru bombe yapan suyun yüzeyi, yüzey geriliminin güzel bir örneği. Bunun bir benzerini bozuk paranın üstüne damlalıkla su damlatarak da yapabilirsiniz. Su damlaları bozuk paranın üstünde dış bükey bir bombe yapacak.

Yüzey gerilimi ve günlük yaşamımız

Yüzey gerilimini en sık kullandığımız durum belki de temizliktir. Sıcaklıkla birlikte suyun yüzey gerilimi azalır, böylece su molekülleri bir arada tutunmak yerine sünger gibi delikli malzemelerin içine daha rahat girer. Ayrıca deterjanlar suyun yüzey gerilimini azaltır, böylece su molekülleri çamaşırların dokularının arasına daha kolay girer ve kirleri çözer.

Ebru sanatında suyun ve yağın farklı yüzey gerilimleri olmasından yararlanılır. Tübitak’ın Bilim Genç sayfasındaki şu deneyi yapmak isteyebilirsiniz, adım adım anlatılmış.

Yüzey Gerilimi ile ilgili Fizik dersi Kazanımları

9.2.3.1. Yapışma (adezyon) ve birbirini tutma (kohezyon) olaylarını örneklerle açıklar.

• Yüzey gerilimi ve kılcallık olayının yapışma ve birbirini tutma olayları ile açıklanması ve günlük hayattan örnekler verilmesi sağlanır.
• Yüzey gerilimini etkileyen faktörlerin, günlük hayattaki örnekler ile açıklanması sağlanır.
• Adezyon, kohezyon, yüzey gerilimi ve kılcallık ile ilgili matematiksel hesaplamalara girilmez.

Yüzey Gerilimi ile ilgili MEB ve EBA Kazanım Testleri

• Madde ve Özellikleri Test 4